Anode

Fazit:

Rheologische Messungen bieten Forschern ein verlässliches Analysetool zur Entwicklung neuer Formulierungen mit verbesserter Leistung und Herstellbarkeit. Das Verständnis und die Kontrolle der Schlammrheologie hilft nicht nur bei der Auswahl eines geeigneten Herstellungsprozesses (Rolle-zu-Rolle-Beschichtung, Schlitzdüsen-Beschichtung usw.), sondern maximiert auch die Produktionsleistung zur Erzeugung konsistenter, fehlerfreier Filme mit einheitlichem Beschichtungsgewicht und einem guten Kontakt mit der Elektrode. Dank der intuitiv zu bedienenden Benutzeroberfläche des DHR, die den Schulungsbedarf reduziert und die Produktivität steigert, können diese Messungen sowohl bei der Forschung und Entwicklung als auch bei der Produktion eingesetzt werden.

Es gibt zwar weiterhin noch offene Fragen in Bezug auf den in Batterien stattfindenden thermischen Runaway-Prozess, die derzeitige Kenntnislage spricht jedoch dafür, dass dieser Prozess durch die folgende Ereignisserie ausgelöst wird. Exotherme Reaktionen, die zu thermischem Durchgehen führen, interagieren auf zerstörerische Weise mit allen inneren Bestandteilen einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB), da die Batterietemperatur kontinuierlich ansteigt. Einige Elemente fallen diesem Prozess frühzeitig zum Opfer, die meisten Elemente beschleunigen die Wärmeansammlung direkt im Moment ihres Versagen.
Die erste Komponente, mit der der Zusammenbruch beginnt, ist die Festelektrolyt-Interphase (Solid-Electrolyte Interphase, SEI), deren Zersetzung bei 80 °C–120 °C (176 °F–248 °F) beginnt. Zu diesem Zeitpunkt kann das thermische Durchgehen zwar noch verlangsamt werden, es lässt sich jedoch nicht mehr rückgängig machen, sobald die Anode in Kontakt mit dem Elektrolyten kommt. Exotherme Reaktionen, die auf der reaktiven Oberfläche der Anode auftreten, fügen dem System zusätzliche Wärme hinzu, bis die nächsten kritischen Temperaturen erreicht sind.
Die nächste betroffene Komponente ist der Separator. Beim Versagen des Separators gibt es zwei Schritte: Bei ungefähr 120 °C –150 °C (248 °F–302 °F) beginnt der Separator zu schmelzen und er verursacht einen leichten Kurzschluss, gefolgt von einem schwereren internen Kurzschluss bei etwa 220 °C –250° C (428 °F–482 °F), bei dem sich der Separator zersetzt.
Die nachfolgenden Reaktionen laufen schnell ab und folgen direkt auf den vorherigen Temperaturbereich. Wenn die Zersetzung des Kathodenmaterials, des Bindemittels und des Elektrolyts beginnt, erhöht sich die Temperatur der Batteriezelle drastisch auf Temperaturen von ungefähr 800 °C (1472 °F). Bei diesen Reaktionen werden Gasprodukte erzeugt, die den Druck in der LIB weiter erhöhen.
Neben der schnellen Wärmentwicklung entsteht bei den Kationenreaktionen zudem als gefährliches Nebenprodukt entzündlicher Sauerstoff. Je nach den exakten Bedingungen ist das unmittelbare Ergebnis entweder „Wärme + Sauerstoff = Feuer“ oder „Wärme + Gas = Ruptur/Explosion“. Natürlich sind nicht alle Materialien gleich und befinden sich weiter oben oder unten innerhalb dieser Bereiche – oder in der Zukunft sogar außerhalb dieser Bereiche. Daher ist es wichtig, die sicherste Materialauswahl für eine gegebene Batterie zu treffen und das Material ausreichend zu testen.

TGA-Thermogramm, das die thermische Instabilität des Materials einer Graphitanode zeigt .

Um ein thermisches Durchgehen zu vermeiden und Batteriematerialien mit optimalen Wärmetoleranzen auszuwählen, setzen Batterieforscher dynamische Differenzkalorimetrie (DSC) und thermogravimetrische Analysen (TGA) ein:
DSC: DSC misst den ein- und ausgehenden Wärmefluss in ein/von einem Material als Funktion der Temperatur oder Zeit. Phasenänderungen unterbrechen die Beziehung zwischen Temperaturänderung und absorbierter oder freigesetzter Wärme in Bezug auf die Wärmekapazität und werden als grafisches Ergebnis dargestellt. Dies ermöglicht das Testen bei verschiedenen Bedingungen, von Betriebstemperatur bis hin zu thermischem Fehlgebrauch.
TGA: TGA misst die Masse einer Probe als Funktion der Temperatur oder Zeit. Generell lässt sich feststellen, dass thermostabile Materialien eine höhere Temperatur erreichen können, bevor eine Massenänderung auftritt.

Beantworten Sie die folgenden Fragen anhand ihrer DSC-Ergebnisse:

• Die Schmelztemperatur des Materials, Tm
• Die Glasübergangstemperatur des Materials, Tg
• Die niedrigste Phasenänderungstemperatur verschiedener Materialien, aus denen die Batterie besteht.

Beantworten Sie die folgenden Fragen anhand ihrer TGA-Ergebnisse:

• Die Temperatur, bei der die Zersetzung eines Materials beginnt.
• Die bei einer gegebenen Temperatur durch thermische oder oxidative Zersetzung verlorengegangene Probenmasse.
• Die Rate der Zersetzungsreaktionen (sowohl oxidativ als auch thermisch induziert) bei einer gegebenen Temperatur.
• Die maximale thermisch stabile Temperatur der unterschiedlichen Materialien, aus denen die Batterie besteht.

Bei der Herstellung einer Lithium-Ionen-Batterie (LIB) wird die Elektrode durch Herstellung eines „Elektrodenschlamms“ vorbereitet: Dieser beinhaltet eine Suspension leitfähiger Feststoffpartikel in einem Lösemittelmedium sowie polymere Bindemittel und aktive Bestandteile. Die Eigenschaften dieses Schlamms sind essenziell für die Qualität der Batterie und haben Auswirkungen auf Leistung und Lebensdauer. Der primäre Konflikt bei der Schaffung eines effektiven Elektrodenschlamms ist, dass sich Viskosität und Viskoelastizität des Schlamms in einem engen Bereich bewegen müssen: hoch genug für bestimmte Schritte und niedrig genug für andere Schritte, mit dem Endziel, ein homogenes Produkt zu erreichen.
Beim anfänglichen Mischen muss die Viskosität niedrig genug sein, damit alle Bestandteile gleichmäßig gemischt werden. Nach dem Mischen hingegen muss die Viskosität hoch genug sein, damit die leitenden Feststoffe gleichmäßig suspendiert bleiben und sich nicht absetzen. Zudem muss der Schlamm die Elektrode gleichmäßig bedecken und während des Trocknens eben bleiben und gut anhaften, um eine Ablösung zu verhindern. Die beste Lösung hierfür sind nichtnewtonsche Flüssigkeiten, da diese keine einzelne konstante Messgröße in Bezug auf die Viskosität aufweisen.